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Fatica termica negli stampi da pressocolata

Le criccature da fatica termomeccanica sono uno dei principali meccanismi di usura e danneggiamento degli stampi da pressocolata (HPDC) di leghe leggere (alluminio). La temperatura alla superficie dello stampo varia ciclicamente tra una condizione "calda" ed una "fredda". La fase calda coincide con il contatto con la lega fusa (680 °C circa) durante l'iniezione per passare poi, dopo solidificazione ed estrazione del pezzo, alla fase fredda in cui avviene la spruzzatura di lubrodistaccante (acqua ed aria compressa a temperatura ambiente). Lo stampo oscillando tra queste due condizioni presenta gradienti termici responsabili delle tensioni che portano alla formazione delle cricche. Simulare in ambiente virtuale le condizioni di processo permette di prevenire le criticità in fase di progettazione,  allungando la vita media dello stampo per pressocolata e riducendo le criccature superficiali.


ARGO simula con un elevato grado di precisione le condizioni operative dello stampo verificando quali zone sono soggette a tensioni distruttive. ARGO infatti dispone di un elevato know how del processo maturato in anni di R&S nel settore della pressocolata, i nostri strumenti di calcolo modellano infatti:

  • condizioni di scambio termico complesse (contatto con leghe fuse, influenza della pressione, spruzzatura con aria compressa,...)
  • proprietà materiale non lineari
  • influenza della finitura superficiale
  • disposizione ottimale dei raffreddamenti

ESEMPIO APPLICATIVO DI CO-DESIGN

Per dimostrare la validità del metodo di analisi viene esposta la failure analysis eseguita su di un inserto stampo massivo, senza canali di raffreddamento interni, la cui particolare geometria comporta la formazione di cricche localizzate nella raggiatura delle "alette". Sono stati simulati in sequenza diversi cicli produttivi in modo da raggiungere le condizioni di regime termico, quindi sono state calcolate le tensioni nel pezzo durante un intero ciclo: dall'iniezione alla spruzzatura del lubrodistaccante. Nelle immagini seguenti le condizioni all'apice della fase calda e di quella fredda.

 temperatura max

Figura #1 Temperatura massima raggiunta dall'inserto.

temperatura min

Figura #2 Temperatura minima raggiunta dal tassello durante la spruzzatura.

Le tensioni che si generano sono in corrispondenza delle cricche effettivamente riscontrate sul campione reale Figura #3 e Figura #4.

vonMis 1 raggiatura

Figura #3 Localizzazione delle tensioni massime.

tassello cricche 6.3x

Figura #4 Cricche sperimentalmente rilevate sul tassello ad un ingrandimento di 6.3X

 Le tensioni nel punto dove sperimentalmente si verificano le cricche raggiungono l'apice durante la fase calda di iniezione e sono di compressione come si può vedere dal grafico seguente:

grafico tensioni


Attraverso la simulazione è stato determinato come il meccanismo di danneggiamento sia dovuto al picco di tensione di compressione: i valori delle tensioni sono infatti di poco superiore al limite di snervamento del materiale a quella temperatura. Il meccanismo di danneggiamento evidenziato dalla simulazione ha invertito l'ipotesi iniziale: in prima battuta ad una semplice ispezione il danneggiamento sembrava dovuto alla drasticità del raffreddamento, di conseguenza il Cliente era intenzionato a variare i parametri spruzzatura con il rischio dell'insorgere di altri più gravi problemi di adesione e soldering del getto (washout) su tutta la superficie dello stampo e non solo nel tassello.

L'analisi ha permesso al Cliente di risolvere il problema a colpo sicuro ridisegnando la raggiatura delle alette del singolo tassello, evitando così l'approccio "fai e rifai" e minimizzando i costi per la risoluzione del problema.

Le simulazioni FEM e CFD degli stampi per pressocolata in condizioni operative sono uno strumento estremamente efficace per la produzione di qualità e per il risparmio costi.

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